УСТРОЙСТВО РЕГУЛИРОВАНИЯ МОЩНОСТИ ЭЛЕКТРОННОГО ЛУЧА ЭЛЕКТРОННОЙ ПУШКИ Российский патент 2007 года по МПК H01J37/248 

Настоящее изобретение относится к устройству, охарактеризованному во вводной части п.1.

Электронные пушки применяют, главным образом, для плавления, сварки, обработки и испарения всех типов, предпочтительно, в вакууме. В таких случаях часто требуется адаптировать мощность электронного луча к меняющимся условиям.

Часто применяют трехэлектродную электродную пушку, имеющую нить накала, катод и анод. Как правило, нить накала, которую также называют первичным катодом, выполнена в виде спиральной вольфрамовой нити, через которую проходит ток. Под действием теплового излучения в вакууме происходит испускание достаточного числа электронов с поверхности спиральной нити. Перед нитью накала расположен катод пушки, также называемый вторичным катодом, который испускает электронный луч высокой мощности.

Для этого вторичный катод должен испускать значительно больше электронов, чем нить накала. Чтобы добиться такой эффективности излучения вторичного катода, между нитью накала и вторичным катодом прикладывают напряжение, так называемое напряжение катода. Оно составляет порядка 3 кВ.

Такое напряжение катода генерирует электронный луч между нитью накала и вторичным катодом, в результате чего происходит сильный нагрев вторичного катода. Это зрительно проявляется в форме яркого светового эффекта. Электроны, которые подобным образом испускают вторичный катод, способны поглощать кинетическую энергию электрического поля, приложенного между вторичным катодом и анодом.

Как правило, электрическое поле генерируют, используя напряжение порядка 40 кВ. Вторичный катод должен при этом испускать достаточно электронов, чтобы обеспечить требуемую мощность луча.

При необходимости обеспечивать постоянное испускание электронов также необходимо поддерживать постоянную температуру вторичного катода. Известен способ (DD 70674) поддержания постоянной температуры вторичного катода нагреваемых электронной бомбардировкой электронных пушек, которые используют в электронно-лучевых сварочных, плавильных и испарительных установках. При этом ток эмиссии первичного катода регулируют посредством тока накала первичного катода при постоянном ускоряющем напряжении между первичным катодом и вторичным катодом, используя управляемую регулировочную переменную, которая является производной тока накала, при этом ток накала первичного катода ограничивают посредством управляемой регулировочной переменной, являющейся его производной.

В известной схеме регулирования рабочих параметров электронно-лучевого генератора используют средство регулирования катода прямого накала, которое состоит из трех отдельных, последовательно соединенных регуляторов (DE 2325808 С2). Такие отдельные регуляторы включают регулятор тока накала, регулятор тока эмиссии и регулятор тока луча.

Электронно-лучевые пушки высокой мощности часто работают при постоянном напряжении в течение относительно длительного времени и при постоянном токе эмиссии. Из-за значительной тепловой инерции первичных катодов невозможно осуществлять быстрое изменение мощности посредством изменения температуры первичного катода. Быстрое изменение мощности электронного луча осуществимо посредством отрицательного напряжения смещения модулирующего цилиндра Венельта. Однако, поскольку площадь излучающей поверхности первичного катода очень велика, потребовалось бы очень высокое напряжение Венельта, чтобы с его помощью осуществлять регулирование (W.Dietrich, H.Ranke и Н.Stumpp: Strahlfuhrung und Leistungsteuerung von Elektronenstrahlkanonen bis 600 kW und deren Einsatz in der industriellen Produktion, Optik 7-2001, стр.11).

Быстрое изменение мощности также осуществимо посредством варьирования ускоряющего напряжения, если катод используют в области пространственного заряда. Недостатком такого способа является необходимость одновременной адаптации фокусирующего электрода к изменениям ускоряющего напряжения, чтобы обеспечить независимое от него положение электронного луча (W.Dietrich и др., в процитированном месте).

Кроме того, известно устройство для применения в электронной пушке, которое представляет собой регулятор, при помощи которого регулируют ток накала и/или ток эмиссии нити накала (DE 4031286 A1). В данном случая регулятор представляет собой регулятор тока накала нити накала и регулятор тока эмиссии, при этом на регулятор тока накала нити накала подают разность между номинальной величиной тока накала нити накала и мгновенной величиной тока накала нити накала, а на регулятор тока эмиссии подают разность между номинальной величиной тока эмиссии и мгновенной величиной тока эмиссии. Преимущество данного устройства состоит в том, что систему нити накала по выбору регулируют посредством тока накала или тока эмиссии.

Помимо этого, также известен способ регулирования мощности электронного луча электронных источников, позволяющий регулировать номинальную мощность в пределах от нуля до 200 кВт (DE 10242538 A1). В данном случае электронный источник имеет катод косвенного накала, анод, а также фокусирующий электрод. Предусмотрены, по меньшей мере, два независимых корректирующих элемента, каждый из которых варьирует один из параметров катода, а именно температуру катода, напряжение катода, напряжение фокусирующего электрода и расстояние между катодом и анодом в качестве управляемых параметров.

Наконец, известно устройство автоматического регулирования рабочего состояния электротермической установки с электронной пушкой, главный катод которой накаливают пучком электронов, испускаемых вспомогательным катодом (DE 1935710). Главный катод электронной пушки в данном случае выполнен в виде первого удаленного структурного элемента, а вспомогательный катод в виде второго удаленного структурного элемента. Кроме того, предусмотрен участок коррекции накала главного катода, соединенный, по меньшей мере, с одним из названных структурных элементов. Данное устройство позволяет повысить стабильность рабочего состояния электронно-лучевой установки. Однако в нем не предусмотрена возможность быстрого изменения мощности луча.

Задачей изобретения является быстрое изменение мощности луча электронной пушки.

Данная задача решена за счет признаков пункта 1.

Таким образом, изобретение относится к устройству регулирования мощности электронного луча электронной пушки, которая состоит из катода прямого накала, катода пушки и анода. Между катодом прямого накала и катодом пушки прикладывают первое напряжение, а между катодом пушки и анодом прикладывают второе напряжение. При помощи первого замкнутого контура управления устанавливают постоянную величину тока катода прямого накала, при которой температура нити накала достаточна для обеспечения максимальной мощности катода пушки. Второй замкнутый контур управления, включающий регулятор мощности катода пушки, на который воздействует разность между мгновенной величиной мощности катода пушки и номинальной величиной мощности катода пушки, регулирует напряжение между катодом прямого накала и катодом пушки.

Преимущество, которое обеспечивает изобретение, в частности, заключается в том, что нет необходимости иметь три последовательно соединенных регулятора. За счет этого повышается скорость регулирования и улучшается контроль скачков. Кроме того, уменьшается коэффициент усиления замкнутого контура, за счет чего незначительные скачки мощности катода пушки оказывают менее серьезное влияние на мощность на выходе. Мощность катода пушки регулируют дополнительно, чтобы она лучше отражала температуру, чем ток катода пушки.

Далее более подробно описан пример осуществления изобретения, проиллюстрированный на чертежах, на которых:

на фиг.1 показано предложенное в изобретении устройство регулирования,

на фиг.2 графически представлено предложенное в изобретении регулирование мощности катода пушки в зависимости от тока эмиссии в сравнении с известным из патента DE 2325808 С2 обычным регулированием тока накала спиральной нити в зависимости от тока эмиссии,

на фиг.3 показан скачок тока эмиссии во времени.

В правой части фиг.1 схематически изображена электронная пушка. В частности, показан катод прямого накала или проволочный катод 1, катод 2 пушки, анод 3, а также тигель 4. Испускаемые катодом 1 прямого накала электроны, которые достигают катода 2 пушки, обозначены позицией 5, а испускаемые катодом 2 пушки электроды, достигающие тигля 4, обозначены позицией 6. Катод 1 прямого накала соединен с регулируемым источником 7 питания. При увеличении тока такого источника 7 тока также увеличивается ток, протекающий через катод 1 прямого накала, за счет чего катод 1 прямого накала сильнее накаливается и испускает больше электронов. Работу источника 7 тока регулируют при помощи регулятора 8. Регулятор 8 поддерживает ток проволочного катода 1 на постоянном уровне. Таким способом обеспечивают почти постоянную температуру проволочного катода 1 при идентичных окружающих условиях.

Средство 9 захвата тока измеряет ток, протекающий через катод 1 прямого накала, и передает полученную таким способом мгновенную величину тока в точку 10 сравнения, в которой номинальную величину 11 тока проволочного катода сравнивают с мгновенной величиной тока проволочного катода. Разность между мгновенной величиной тока и номинальной величиной тока передают в регулятор 8.

Ток, протекающий через катод 1 прямого накала, регулируют таким образом, чтобы катод 1 прямого накала испускал такое количество электронов 5, которое необходимо для того, чтобы катод 2 пушки испускал максимально возможный электронный ток 6. Таким образом, несмотря на то, что ток, протекающий на катод 1 прямого накала, поддерживают на постоянном уровне, ток 6 эмиссии катода 2 пушки не зависит от характера изменений во времени катода 1 прямого накала.

Напряжение между катодом 1 прямого накала и катодом 2 пушки поддерживают при помощи источника 12 напряжения, приводимого в действие регулятором 13 мощности катода пушки. При помощи средства 14 захвата тока измеряют ток, подаваемый источником 12 напряжения. Он включает ток эмиссии катода 1 прямого накала. Данный ток умножают в множительном устройстве 15 на напряжение источника 12 напряжения и вычисляют электрическую мощность. Вычисленную величину мощности подают в точку 16 сравнения, в которую поступает сигнал из регулятора 17 тока эмиссии. Данный сигнал включает сигнал величины номинальной мощности катода 2 пушки. Регулятор 17 выдает сигнал, образованный разностью между номинальной величиной тока эмиссии катода 2 пушки и мгновенной величиной тока эмиссии катода 2 пушки. При постоянном ускоряющем напряжении данный сигнал имеет заданную зависимость от мощности катода пушки, как это показано кривой II на фиг.2. Таким образом, он может служить в качестве номинальной величины для регулятора 13 мощности катода пушки. Регулятор 17 необходим для регулирования тока эмиссии катода 2 пушки. Такой ток эмиссии адаптируют к параметрам регулирования досягаемости эмиссии катода 2 пушки. При постоянном ускоряющем напряжении температура катода 2 пушки определяет ток эмиссии.

Для подачи ускоряющего напряжения на электроны 6, испускаемые катодом 2 пушки, предусмотрен источник 18 напряжения. При этом анод 3 и тигель 4 имеют одинаковый электрический потенциал. Ток, подаваемый источником 18 напряжения, измеряют при помощи средства 19 захвата тока, а результаты измерений поступают в сравнивающее устройство 20, на которое воздействует номинальная величина тока эмиссии или номинальная величина 21 тока луча. Разность между мгновенной величиной тока и номинальной величиной тока поступает в регулятор 17.

Источник 18 напряжения регулирует регулятор 22, на который воздействует сигнал, соответствующий разности между мгновенной величиной ускоряющего напряжения и номинальной величиной 23 ускоряющего напряжения. Данную разность определяет сравнивающее устройство 24. Регулятор 22 поддерживает ускоряющее напряжение на постоянном уровне. Мгновенную величину напряжения между катодом 2 пушки и анодом, то есть ускоряющее напряжение через вывод катода 2 пушки подают в точку сравнения на входе регулятора 22.

После регулятора 17 электронной эмиссии катода 2 пушки расположен регулятор мощности катода пушки. Он управляет источником 12 напряжения, поддерживающим ускоряющее или катодное напряжение между катодом 1 прямого накала и катодом 2 пушки. Исходя из тока катода пушки и напряжения катода пушки, получают мгновенную величину мощности катода пушки, которую подают в регулятор 13 мощности катода пушки. В нем мощность катода пушки непосредственно сопоставляют с температурой катода 2 пушки, который под воздействием постоянного ускоряющего напряжения осуществляет эмиссию. Вместе с тем, регулятор 13 должен реагировать существенно быстрее, чем регулятор 17. В связи с этим он имеет меньшее время возврата в исходное состояние и иной коэффициент усиления, чем у регулятора 17.

Таким образом, в описанном устройстве последовательно соединены только два регулятора 17, 13. За счет этого повышается стабильность регулирования с возможностью выбора больших коэффициентов усиления для большей точности. Номинальные величины 11, 21 23 в зависимости от требуемых технологических режимов вводит оператор через пользовательский интерфейс электронно-лучевой установки.

На фиг.2 приведено сравнение кривой II регулирования, осуществляемого согласно изобретению, с кривой I обычного регулирования. Кривая I обычного регулирования отражает зависимость тока эмиссии IE катода 2 пушки от тока накала IF катода 1 прямого накала. В отличие от этого, кривая II регулирования отражает зависимость мощности РВ катода 2 пушки от тока эмиссии IE катода 1 прямого накала.

Кривая I обычного регулирования отличается тем, что при минимальном изменении тока накала IF катода 1 прямого накала значительно меняется ток эмиссии IE катода 2 пушки. Если, например, ток накала IF возрастает с 40 до 41 ампер, ток эмиссии IE возрастает с 0,5 до 1,5 ампер. Диапазон регулировки очень узок и начинается лишь в районе 39 ампер тока накала катода 1 прямого накала.

В отличие от этого, кривая II регулирования согласно настоящему изобретению отличается более широким диапазоном мощности катода пушки РВ, используемым для достижения такого же изменения тока эмиссии IE. За счет этого обеспечивают более устойчивый характер изменения регулирования и более высокую точность регулирования.

На фиг.3 показано, что при скачке номинальной величины ток эмиссии катода 2 пушки может скачкообразно увеличиться с одного ампера до двух ампер менее чем за одну секунду. При постоянном токе накала катода 1 прямого накала напряжение катода пушки может снизиться под воздействием, например, повышения окружающей температуры с увеличением мощности катода пушки. За счет меньшего напряжения катода пушки исключают дуговые разряды в катоде пушки, в особенности, при высоких показателях мощности.

Изобретение относится к трехэлектродным электронным пушкам и может быть использовано для обработки материалов, предпочтительно, в вакууме. Устройство регулирования мощности электронного луча электронной пушки, в котором электронная пушка состоит из катода прямого накала, катода пушки и анода, между катодом прямого накала и катодом пушки прикладывают первое напряжение, а между катодом пушки и анодом прикладывают второе напряжение. При помощи первого замкнутого контура управления поддерживают постоянную величину тока катода прямого накала, при которой температура нити накала достаточна для обеспечения максимальной мощности катода пушки. Второй замкнутый контур управления, который включает регулятор мощности катода пушки, на который воздействует разность между мгновенной величиной мощности катода пушки и номинальной величиной мощности катода пушки, регулирует напряжение между катодом прямого накала и катодом пушки. Технический результат: быстрое изменение мощности луча электронной пушки. 5 з.п. ф-лы, 3 ил.

1. Устройство регулирования мощности электронного луча электронной пушки, в котором электронная пушка состоит из катода прямого накала, катода пушки и анода, между катодом прямого накала и катодом пушки прикладывают первое напряжение и между катодом пушки и анодом прикладывают второе напряжение, используют первый и второй замкнутые контуры управления, отличающееся тем, что a) первый замкнутый контур (8, 7) управления поддерживает постоянную величину тока катода (1) прямого накала, при которой температура нити накала достаточна для обеспечения максимальной мощности катода (2) пушки, и b) второй замкнутый контур (17, 13, 12) управления включает регулятор (13) мощности катода пушки, на который воздействует разность между мгновенной величиной мощности катода пушки и номинальной величиной мощности катода пушки и который регулирует напряжение между катодом (1) прямого накала и катодом (2) пушки.2. Устройство по п.1, отличающееся тем, что первый замкнутый контур (8, 7) управления включает регулятор (8), на который воздействует разность между номинальной величиной тока накала нити накала и мгновенной величиной тока накала нити накала и который приводит в действие регулируемый источник (7) тока.3. Устройство по п.1, отличающееся тем, что первое напряжение между катодом (1) прямого накала и катодом (2) пушки обеспечивает источник (12) напряжения, регулируемый регулятором (13) мощности катода пушки.4. Устройство по п.1, отличающееся тем, что второе напряжение между катодом (2) пушки и анодом (3) обеспечивает регулируемый источник (18) напряжения, на который воздействует регулятор (22), на вход которого подают разность между номинальной величиной ускоряющего напряжения и мгновенной величиной ускоряющего напряжения.5. Устройство по п.1, отличающееся тем, что мгновенную величину мощности катода пушки определяет множительное устройство (15), которое умножает мгновенную величину напряжения между катодом (1) прямого накала и катодом (2) пушки на мгновенную величину тока эмиссии катода (1) прямого накала.6. Устройство по п.1, отличающееся тем, что номинальную величину мощности катода пушки определяет регулятор (17), на который воздействует разность между номинальной величиной тока эмиссии катода (2) пушки и мгновенной величиной тока эмиссии катода (2) пушки.